Sedan början av 2010 -talet har ultrasnabb sondering av material vid atomnivåupplösning har aktiverats av terahertz-skanningstunnelmikroskop (THz-STM). Men dessa enheter kan inte upptäcka energispridningen som händer under händelser, till exempel när fotoner utsänds via rekombinationsprocess av ett elektronhålspar i en ljusemitterande diod (LED). Dock, en ny teknik gör det möjligt att spåra just sådan energidynamik vid sidan av THz-STM, öppnar nya utredningsvägar för nanoskala vetenskap och teknik.

Forskare i Japan har utvecklat en mikroskopiteknik som kombinerar förmågan att manipulera elektroners rörelse på en femtosekund tidsskala och att upptäcka en foton vid sub-nanometerupplösning. Den nya metoden erbjuder en ny plattform för forskare att genomföra experiment som innefattar avkänning och kontroll av kvantsystem, öppna nya dörrar för nanoskala och utveckling av nanoteknik.

Laget, består av forskare vid Yokohama National University och RIKEN, publicerade detaljer om deras teknik i tidningen ACS Photonics den 27 januari.

Skanningstunnelmikroskopet (STM) utvecklades 1981 som ett instrument som producerar bilder av ytor på atomnivå. Tekniken beror på fenomenet kvanttunnel, i vilken en partikel "tunnlar" genom en annars ogenomtränglig barriär. Ytan som undersöks av mikroskopet avkänns av en mycket fin och skarp ledande spets. När spetsen närmar sig ytan, en spänning applicerad över spetsen och ytan tillåter elektroner att tunnla genom vakuumet mellan dem. Strömmen som produceras av denna tunnel ger i sin tur information om objektet som sedan kan översättas till en visuell bild.

STM tog ett stort steg framåt i början av 2010-talet med THz-STM-tekniken, som använder en ultrasnabb elektrisk fältpuls vid skanningsprobens spets på en STM för att manipulera elektroner vid en tidsskala under en pikosekund (en biljondel av en sekund).

Detta är utmärkt för ultrasnabb sondering av material vid atomnivåupplösning, men kan inte upptäcka energispridningen som sker under kvantomvandlingar. Detta inkluderar, till exempel, elektron-fotonkonverteringar, vilket är vad som händer när en injektion av elektron, eller hål, träffar en LED, knackar loss exakt en foton inuti LED -halvledarmaterialet. Det skulle vara mycket användbart att kombinera den ultrasnabba atomenivåupplösningen för STM med att kunna spåra en sådan dynamik för diffusion av energi.

En teknik som verkligen kan spåra sådan dynamik, kallad scanning tunneling luminescence spectroscopy (STL), mäter fotoner som omvandlas av tunnelelektroner och har utvecklats parallellt med THz-STM. STL erbjuder riklig information om foton energi, intensitet, polarisering och effektiviteten av dess utsläpp, utlöses av elektrontunnel.

"Men THz-STM och STL hade aldrig kombinerats tidigare i en enda uppsättning, "sa Jun Takeda från Yokohama National University, som ledde studien. "Så vi sätter ihop de två teknikerna."

En lins placerades på ett sådant sätt att THz -pulser fokuseras på spetsen av STM. Fotoner som produceras från dessa pulser samlades sedan upp med en andra lins och dirigerades till en fotondetektor, möjliggör den önskade undersökningen av energidynamiken för kvantomvandlingar som uppstår under STM -ultrasnabb sondering av material på atomnivå.

Detta avslöjade en supersnabb excitation av plasmoner (ytelektroner) vid extremt hög spänning.

"Denna excitation kan i sin tur ge en unik ny plattform för experiment och utforskning av ljus-materia-interaktioner i en" plasmonisk nanokavitet ", säger Ikufumi Katayama, som också ledde studien. Plasmonisk nanokavitet är en nanometerskala struktur för att fånga ljus, men det skulle involvera dessa ytelektroner.

Nanokavitetsmetoden bör möjliggöra undersökning av energidynamik som härrör från elektrontunnel i halvledare, och i andra molekylära system på tidskala till och med en femtosekund - en fjärdedel av en sekund, eller den tid det normalt tar för molekylär dynamik, den fysiska rörelsen för enskilda atomer eller molekyler, att hända. Detta bör möjliggöra större avkänning och kontroll av kvantsystem, ger nya insikter och framsteg inom nanoskala teknik och vetenskap.